Contribution à la conception et à la modélisation de wake-up radio pour réseaux de capteurs

Contribution to wake-up radio design for sensor network applications

• Auteur / Autrice : Ruochen Ding
• Direction : William Tatinian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Berder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Tatinian, Olivier Berder, Alexandru Takacs, Tân-Phu Vuong, Alain Pegatoquet, Robert Staraj
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandru Takacs, Tân-Phu Vuong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés -- Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Réseaux de capteurs (technologie)

Internet des objets

Mots clés libres

Wake-up radio

Réseaux de capteurs sans fil

Modélisation de circuits analogiques et RF

Conception de CI

Simulation de réseaux de capteurs

Wake-up radio

Wireless sensor networks

Analog and RF circuit modeling

IC design

Sensor network simulation

Résumé

L'utilisation de la wake-up radio (WUR) dans les applications de réseaux de capteurs est en croissance constante car elle permet de réduire considérablement la consommation d'énergie globale et d'augmenter la durée de vie de la batterie des capteurs. Le rôle de la WUR est de permettre à la radio principale de rester en mode veille le plus longtemps possible si aucune action n'est requise.Cependant, la plupart des publications discutent de la théorie, de la simulation SPICE, ou des mesures de WUR, pour une seule topologie de WUR à la fois. Dans cette thèse, nous avons comparé plusieurs topologies. Ce travail décrit en détail le processus de simulation des circuits, la modélisation théorique, la conception de PCB, les mesures et l'optimisation du prototype. De plus, cette étude a réalisé des simulations de différents scénarios dans OMNeT++ pour examiner le comportement des nœuds dotés d'un WUR semi-actif sous différents modèles et frameworks. Nous avons proposé une méthode de modélisation de la couche physique pour considérer les performances de la WUR et son impact sur la transmission de données, complémentaire à la modélisation de la couche MAC.Le Chapitre II a présenté une analyse et classification complète de l'état de l'art de la technologie de la wake-up radio. Nous avons résumé les principales caractéristiques du WUR sur la base de notre revue de la littérature, incluant type, technologie, sensibilité, consommation d'énergie, fréquence, modulation, latence, débit de données et adressage. L'analyse et les premiers résultats de simulation ont été fournis comme étude préliminaire pour un design adaptable à des cas particuliers, préparant l'implémentation et la modélisation de l'appareil.Dans le Chapitre III, nous nous sommes concentrés sur la conception et la modélisation de la wake-up radio semi-active. Il peut y avoir des réveil manqués ou indésirés lors de la transmission, augmentant ainsi le temps de transmission et l'énergie moyenne par bit transmis. Pour tenir compte avec précision de ces effets, une modélisation exacte de la WUR est nécessaire. Nous avons détaillé le processus de simulation SPICE, le développement d'un modèle théorique ainsi que la conception et les mesures des prototypes pour la wake-up radio semi-active. Nous avons fourni une description complète de la wake-up radio, y compris ses parties analogiques et numériques.Au Chapitre IV, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation du système de wake-up radio semi-active Ce chapitre est divisé en trois parties, chacune abordant le processus d'optimisation sous différents angles. La première partie a comparé les performances de la wake-up radio semi-actif en utilisant deux approches d'intégration différentes: une fabrication hétérogène, combinant PCB et CMOS intégré; et une intégration PCB plus classique. La seconde partie a détaillé le processus de conception pour notre PCB à 4 couches et un résumé des règles de conception que nous avons suivies. La dernière partie de ce chapitre présente le développement d'un prototype à partir d'un module Arduino équipée d'une WUR à 4 couches optimisée. Nous avons détaillé tout le processus, de la conception à la réalisation.Au Chapitre V, nous nous sommes concentrés sur l'utilisation du simulateur de réseau comme un outil efficace pour les réseaux de capteurs, en particulier dans le contexte des réseaux de capteurs sans fil (WSN) caractérisés par un grand nombre de nœuds et des ressources limitées. Cette démarche nous permet de surmonter les contraintes matérielles et de refléter les mesures du monde réel, réduisant ainsi les coûts expérimentaux et améliorant l'efficacité du développement. Ce chapitre a montré la valeur de l'utilisation du simulateur de réseau dans l'évaluation de la WUR et offre une comparaison des différents modèles et cadres.En résumé, notre travail a fourni une analyse au niveau système de l'utilisation des WURs dans les WSNs, apportant un soutien pour les recherches futures dans ce domaine.

The use of wake-up radio (WUR) in sensor network applications has been continuously growing, as it allows to significantly reduce the overall power consumption and increase the lifetime of sensors' battery. The role of the wake-up radio is to allow the main radio to remain in sleep mode as long as possible if no action is required.However, most of the related work discusses the theory, SPICE simulation, or measurement of only one wake-up radio topology at a time. In this thesis, we comprehensively compare all methods. This work described in detail the whole process of WUR circuit simulation, theoretical modeling, PCB implementation, prototype testing and optimization. Furthermore, this study conducted simulations of different scenarios in OMNeT++ to investigate the behavior of nodes equipped with semi-active WUR under different models and frameworks. We proposed a physical layer modeling approach to consider the performance of the wake-up radio and its impact on data transmission, which is complementary to the MAC layer modeling.Chapter II presented a comprehensive analysis and classification of the state-of-the-art for wake-up radio technology. We summarize the main characteristics of WUR based on our review of the literature, including type, technology, sensitivity, power consumption, frequency, modulation, latency, data rate, and addressability. And the analysis and initial simulation results were provided as a preliminary study for the design which can be easily adapted to the particular cases and prepared for the implementation and modeling of the device.In Chapter III, we focused on the design and modeling of semi-active wake-up radio. There may be false wake-ups or missed wake-ups during the transmission, thus increasing the transmission time and the average energy per transmitted bit. To accurately account for these effects, an accurate modeling of the WUR is necessary. We gave the detailed process of SPICE simulation, development of a theoretical model, as well as the prototype design and measurement for a semi-active wake-up radio. we provided a comprehensive description of the wake-up radio, including its analog and digital parts.In chapter IV, we concentrated on the optimization of the semi-active wake-up radio system. This chapter is partitioned into three sections that each approach the optimization process from different perspectives. The first part compared the performances of the semi-active wake-up radio using two different integration approaches: a heterogeneous fabrication, combining PCB and integrated CMOS; and a more classical PCB integration. The second part provided the design process for our 4-layer PCB. and a summary of the design rules that we followed during this process. The final part of this chapter presents the development of a prototype of an Arduino shield equipped with an optimized 4-layer WUR. And we detailed the entire process from shield design to realization.In chapter V, we focused on using network simulator as an effective tool in the sensor networks, particularly within the context of wireless sensor networks (WSNs) characterized by a great number of nodes and limited resources. This approach allows us to overcome material constraints and reflect real-world measurements, thus reducing experimental costs and improving development efficiency. This chapter highlights the value of using network simulator in WUR assessment and provides a comparison of different models and framework, providing a basis for future research on WUR in WSN.In summary, our work provided a system-level analysis of the use of wake-up radios in wireless sensor networks, providing support for further research in this field.